拓扑绝缘体的超导特质证明

诸平

据物理学家组织网（Phys.org）2013年4月10日报道，拓扑绝缘体(Topological insulators 简称TIs)是一种令人兴奋的新型材料,在其表面携带电流,但在他们的块体内部却是绝缘体。

        TIs的发现大约是在十年前,对于它们独特的特点(指向在量子计算领域的潜在应用)科学家一直从理论上进行不断探讨,并在过去的五年中,在实验上也已经开始进行研究。但在理论上,块体TIs是不导电的绝缘体，事实上,在实验室里由于杂质和缺陷等因素的影响，在真实块体材料中依然具有导电性。这无疑对于TIs从实验上进行证明的一大障碍: 从之前设计的实验对于TIs表面电导率的测试结果发现，块体材料电子盈余的的贡献是不可避免的。但是，现在美国伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的一个跨学科研究团队，通过与布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）凝聚态物理和材料科学研究组的研究人员合作，已经测量了TIs块体材料的超导表面状态，因为此处电荷载体已被成功地耗尽。此项研究论文发表在本周的《自然通讯》（Nature Communications）杂志。——Sungjae Cho, Brian Dellabetta, Alina Yang, John Schneeloch, Zhijun Xu, Tonica Valla, Genda Gu, Matthew J. Gilbert, Nadya Mason. Symmetry protected Josephson supercurrents in three-dimensional topological insulators. Nature Communications, Volume: 4, Article number: 1689. DOI: 10.1038/ncomms2701. Published 09 April 2013.

     拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态，为近几年来物理学的重要科学前沿之一。拓扑绝缘体是一种新的量子物态。传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体和导体，其中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而没有自由载流子；金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的。拓扑绝缘体这一特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的。

   拓扑绝缘体在能带的拓扑序上和传统绝缘体是不同的。在拓扑绝缘体块材内部它是存在带隙的绝缘体，但在材料的表面和边界却是受时间反演不变性保护的稳定金属态。其能带结构表现为存在“狄拉克锥”，即能带有上下锥形相连的结构，处于锥边缘态的电子自旋会呈现涡旋排列，形成所谓自旋流并在磁场下表现出自旋霍尔效应。拓扑绝缘体是这几年凝聚态物理学兴起的热点领域，其中涉及许多重要的物理现象和物理机制，同时意味着广阔的应用前景。比如通过研究拓扑绝缘体中电子自旋的运动方式，我们就可以设法控制和识别电子的自旋。目前半导体器件仅仅是利用了电子的电荷性质，而且越来越小的电路元件使得电子的量子效应越明显，摩尔定律似乎已经走到了尽头。要想获得更多的信息处理容量，利用电子的另一个性质——自旋是一个非常明智的选择。